KR100784338B1 - Manufacturing method for low refractive index thin film and antireflection coating method using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 박막 미세 구조를 이용하여 매우 낮은 굴절률을 가지며 비등방성이 매우 작은 광학 박막을 제조하는 방법과 넓은 파장영역과 큰 입사각에서 투과특성이 우수한 무반사 코팅이 가능한 저굴절률 박막의 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing an optical thin film having a very low refractive index and very small anisotropy using a porous thin film microstructure, and a method for producing a low refractive index thin film having excellent antireflection coating having excellent transmission characteristics in a wide wavelength range and a large angle of incidence. It provides an anti-reflective coating method used.
이러한 본 발명의 무반사 코팅에 사용되어지는 저굴절률의 박막은 경사 입사 증착법을 사용하여 증착한 다공성 유전체 박막을 포함하는 층으로 광학적으로 거의 등방인 특성을 가지며, 경사 입사각의 조절로 박막의 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 또한 무반사 코팅에서 기판보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 층을 사용함으로써 작은 층수로 넓은 파장 영역과 큰 입사각도에 대해 반사가 작은 무반사 코팅이 되도록 함을 특징으로 한다. 이는 증착 중 기판의 경사각을 조절함으로써 굴절률의 조절이 가능하므로 기존 챔버 구조를 그대로 이용할 수 있으며, 한 종류의 물질만을 사용하므로 챔버 내의 오염을 방지할 수 있고, 2층 구조만으로도 넓은 파장영역에서 무반사 코팅이 가능 할뿐만 아니라 두께오차와 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.The low refractive index thin film used in the antireflective coating of the present invention is a layer including the porous dielectric thin film deposited using the gradient incidence deposition method and has an optically isotropic property, and the refractive index of the thin film is changed by adjusting the inclined incidence angle. In addition, by using a dielectric layer having a lower refractive index than the substrate in the antireflective coating, it is characterized in that the antireflective coating having a small reflection for a large wavelength range and a large angle of incidence with a small number of layers. Since the refractive index can be adjusted by adjusting the inclination angle of the substrate during deposition, the existing chamber structure can be used as it is, and only one type of material can be used to prevent contamination in the chamber. Not only is this possible, it is possible to improve productivity by simplifying thickness errors and processes.
다공성, 저굴절률 박막, 무반사 코팅, MgF2, SiO2, 경사입사 증착법 Porous, low refractive index thin film, antireflective coating, MgF2, SiO2
Description
도 1은 일반적인 전자빔 증착 방법의 구현을 위한 개략적인 시스템 구성도. 1 is a schematic system configuration diagram for implementing a general electron beam deposition method.
도 2는 일반적인 전자빔 증착법으로 증착(α=0도)한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지.Figure 2 is a cross-sectional SEM image of the MgF2 thin film deposited by a general electron beam deposition method (α = 0 degrees).
도 3은 일반적인 전자빔 증착법으로 증착(α=0도)한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.3 is a surface SEM image of a MgF2 thin film deposited by a general electron beam evaporation method (α = 0 degrees).
도 4는 일반적인 경사 입사 증착법의 구현을 위한 개략적인 시스템 구성도.4 is a schematic system configuration diagram for implementing a general gradient incidence deposition method.
도 5는 경사 입사 증착법으로 증착(α=80도)한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지.FIG. 5 is a cross-sectional SEM image of an MgF2 thin film deposited by a gradient incidence deposition method (α = 80 degrees). FIG.
도 6은 경사 입사 증착법으로 증착(α=80도)한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.6 is a surface SEM image of an MgF2 thin film deposited by a gradient incidence deposition method (α = 80 degrees).
도 7은 경사 입사각에 따른 MgF2 박막의 굴절률을 나타낸 그래프.7 is a graph showing the refractive index of the MgF2 thin film according to the oblique incidence angle.
도 8은 경사 입사 증착법으로 증착(α=0도와 α=80도)한 MgF2 일층 무반사 코팅의 반사율 그래프.FIG. 8 is a graph of reflectivity of MgF2 single layer antireflective coating deposited by gradient incidence deposition (α = 0 degrees and α = 80 degrees).
도 9는 경사 입사 증착법으로 증착(α=0도와 α=80도)한 MgF2 박막의 위상차 측정결과를 나타낸 그래프.9 is a graph showing the results of phase difference measurement of an MgF2 thin film deposited by a gradient incidence deposition method (α = 0 degrees and α = 80 degrees).
도 10은 경사각 α=80도로 3rpm으로 회전하며 증착한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지. 10 is a cross-sectional SEM image of the deposited MgF2 thin film rotated at 3 rpm with an inclination angle α = 80 degrees.
도 11은 경사각 α=80도로 3rpm으로 회전하며 증착한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.Figure 11 is a surface SEM image of the deposited MgF2 thin film rotated at an angle of inclination α = 80 degrees 3rpm.
도 12는 경사 입사 증착법으로 경사각 α=80도로 하여 기판을 고정, 회전하며 증착한 SiO2 박막의 위상차 측정결과를 나타낸 그래프.FIG. 12 is a graph illustrating a phase difference measurement result of a
도 13은 본 발명에 따른 넓은 대역 무반사 코팅을 하기 위한 박막 구조를 개략적으로 나타낸 도.Figure 13 schematically shows a thin film structure for a wide band antireflective coating according to the present invention.
도 14는 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 수직입사시의 반사율 그래프.FIG. 14 is a graph of reflectance at vertical incidence of an antireflective coating having a two-layer
도 15는 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 수직입사(AOI=0도)와 입사각(AOI=40도)에 따른 반사율 그래프.FIG. 15 is a graph of reflectance according to vertical incidence (AOI = 0 degrees) and incident angle (AOI = 40 degrees) of a two-layer antireflective coating using MgF2.
도 16은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 두께(5%)와 굴절률(2%) 오차에 따른 반사율 그래프.16 is a graph of reflectance according to the thickness (5%) and refractive index (2%) error of the antireflective coating of the two-layer structure using MgF2.
도 17은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 어드미턴스 그래프.17 is an admittance graph of an antireflective coating having a two layer structure using MgF2.
도 18은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 반사율 측정 결과 그래프.18 is a graph of reflectance measurement results of an antireflective coating having a two-layer structure using MgF2.
도 19는 MgF2를 사용한 3층 구조의 무반사 코팅의 반사율 그래프.19 is a graph of reflectance of an antireflective coating having a three layer structure using MgF2.
도 20은 SiO2를 사용한 2층 구조의 UV 영역에서의 무반사 코팅의 반사율 그 래프.20 is a reflectance graph of the antireflective coating in the UV region of a two layer
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 용기 2,6,8,9,10 : 박막1:
3-a,3-b,7 : 기판 4 : 셔터3-a, 3-b, 7 4: substrate 4: shutter
5 : 물리두께 측정 장치5: physical thickness measuring device
본 발명은 프리즘, 광학 필터 등의 각종 광학소자 및 디스플레이용 광학 시스템, 광통신용 광학박막, UV 노광 장치등에 사용되어지는 무반사 코팅 기술에 관한 것으로, 특히 경사 입사 증착법을 사용하여 다공성 기둥 미세 구조를 갖는 박막으로 매우 낮은 굴절률을 가지며 광학적으로 거의 등방(Isotropic)인 광학 특성을 갖는 저굴절률의 박막을 제조하는 방법 및 층수가 작으면서도 넓은 파장영역과 큰 입사각에 대해 투과 특성이 우수한 무반사 코팅 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
무반사(Antireflection)코팅은 기판으로부터의 광 투과도를 증가시키기 위한 광학박막 코팅 방법으로 기판의 굴절률과 공기의 굴절률 차이에 의해 발생하는 경계면에서의 반사를 빛의 간섭효과를 이용하여 줄이는 방법으로 일반 광학 소자에 널리 사용되어진다. Antireflection coating is an optical thin film coating method to increase the light transmittance from the substrate. It is a method of reducing the reflection at the interface caused by the difference between the refractive index of the substrate and the refractive index of air by using the interference effect of light. Widely used in
광학박막에서 매질에서의 어드미턴스와 박막에서의 최종 어드미턴스가 같으 면 반사율 R이 R=0인 무반사 코팅이 되며 반사되는 빛이 없게 된다. 따라서 일반적으로 기판위에 다층 박막 구조의 박막을 증착하며, 박막의 굴절률과 두께 그리고 층수를 조절하여 공기의 어드미턴스와 박막의 어드미턴스를 거의 같도록 하여 반사율을 낮추게 된다(H.A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001). 이러한 무반사 코팅 방법으로는 다음과 같은 방법들이 사용 되어진다. If the admittance in the medium and the final admittance in the thin film are the same in the optical film, then there is an antireflective coating with a reflectance R of R = 0 and no reflected light. Therefore, a thin film having a multi-layered thin film structure is generally deposited on a substrate, and the reflectance is lowered by adjusting the refractive index, the thickness, and the number of layers so that the admittance of the air and the admittance of the thin film are almost the same (HA Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001). As the antireflective coating method, the following methods are used.
1. 일층 무반사 코팅1. Single layer antireflective coating
일반적으로 공기중에서 굴절률이 1.5인 유리의 반사율은 약 4%이며, 유리 기판위에 한 층을 코팅하여 반사율이 0이 되도록 하기 위해서는 박막의 굴절률(n f )은 다음의 식을 만족해야 한다. In general, the reflectivity of glass having a refractive index of 1.5 in air is about 4%, and the refractive index ( n f ) of the thin film must satisfy the following equation in order to coat one layer on the glass substrate so that the reflectance is zero.
n2 f = nsubnair n 2 f = n sub n air
여기서, n f 는 일층 박막의 굴절률이고, n sub 는 유리의 굴절률(n sub =1.5) 그리고 n air 는 공기의 굴절률(n air =1.0)이다. 이때 박막의 두께는 1/4 파장 광학두께이다. Where n f is the refractive index of the thin film, n sub is the refractive index of glass ( n sub = 1.5) and n air is the refractive index of air ( n air = 1.0). At this time, the thickness of the thin film is 1/4 wavelength optical thickness.
따라서 일층으로 무반사 코팅을 만족하는 박막의 굴절률 n f 를 구하면 n f =1.22가 된다. 그러나 일반적으로 이렇게 낮은 굴절률을 갖는 박막이 존재하지 않으므로 굴절률이 낮은 물질인 MgF2(n f =1.38) 혹은 SiO2(n f =1.46)를 주로 사용한다. 이 경우 박막의 굴절률이 무반사 코팅을 만족하는 굴절률인 1.22가 아니므로 반사율을 많이 줄이지는 못한다는 단점이 있다. Therefore, when the refractive index n f of the thin film satisfying the antireflective coating is obtained as one layer, n f = 1.22. However, since a thin film having such a low refractive index does not exist, MgF 2 ( n f = 1.38) or SiO 2 ( n f = 1.46), which is a low refractive index material, is mainly used. In this case, since the refractive index of the thin film is not 1.22, which is a refractive index that satisfies the antireflective coating, there is a disadvantage in that the reflectance is not reduced much.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 대부분의 무반사 코팅에서는 일층이 아닌 2층 이상의 다층 구조가 사용되어진다.In order to solve this problem, most antireflective coatings use a multilayer structure of two or more layers instead of one layer.
2. 이층 무반사 코팅2. Two layer antireflective coating
2층 구조의 무반사 코팅은 일층의 무반사 코팅의 문제점을 해결하기 위해서 고굴저률 물질과 저굴절률 물질을 사용하여 박막의 어드미턴스를 공기의 어드미턴스인 (1.0)에 가깝게 만드는 방법이다. 그러나 일반적으로 2층의 무반사 코팅은 기준파장에서는 반사율을 거의 R=0으로 만들 수 있지만 다른 파장영역에서는 반사율이 높은 V-형태의 무반사 코팅이 된다. 따라서 1/2 파장 광학두께의 다른 층을 이용하여 무반사 코팅 대역을 넓히는 방법을 사용한다. In order to solve the problem of one layer of anti-reflective coating, the two-layer antireflective coating is a method of making the admittance of the thin film close to the admittance of air (1.0) by using a high refractive index material and a low refractive index material. In general, however, a two-layer antireflective coating can result in an almost R = 0 reflectance at the reference wavelength, but a V-type antireflective coating with high reflectivity at other wavelengths. Therefore, a method of extending the antireflective coating band by using another layer of 1/2 wavelength optical thickness is used.
이러한 구조에서는 V-형태의 좁은 무반사 영역이 넓어지는 효과가 있으며, W-형태의 무반사 코팅이 된다. 상기의 무반사 코팅 구조는 모두 기준파장에 대해 1/4 파장 광학 두께 혹은 1/2 파장 광학 두께의 박막으로 구성되어 있다. This structure has the effect of widening the narrow anti-reflective area of the V-type, resulting in a W-shaped anti-reflective coating. All of the above antireflective coating structures are constituted by thin films having a quarter wavelength optical thickness or a half wavelength optical thickness with respect to a reference wavelength.
그러나 이러한 무반사 코팅을 위해서는 물질에 제한이 있으므로 1/4 혹은 1/2 파장광학 두께만으로는 무반사를 얻기가 어렵다. 따라서 박막의 두께를 1/4 혹은 1/2 광학 두께가 아닌 층으로 구성된 다층 구조로 무반사 코팅이 이루어진다. However, there is a material limitation for such an antireflective coating, so it is difficult to obtain antireflection by only 1/4 or 1/2 wavelength optical thickness alone. Therefore, the anti-reflective coating is made of a multilayer structure consisting of layers of thin films, not 1/4 or 1/2 optical thicknesses.
3. 다층 무반사 코팅3. Multilayer antireflective coating
낮은 반사율을 가지며 무반사 파장 영역이 넓은 무반사 코팅을 위해서는 일반적으로 고굴절률 물질과 저굴절률 물질로 2가지 혹은 3가지 이상의 물질을 사용하여 다층 구조의 무반사 코팅이 달성될 수 있다. For antireflective coatings having a low reflectance and a wide range of antireflective wavelengths, a multi-layer antireflective coating can generally be achieved by using two or three or more materials as high and low refractive index materials.
US 3,185,020는 기판(1.45-1.75)위에 3종류의 물질을 사용하여 3층 구조의 무반사 코팅을 하였으며, 증착은 먼저 중간 굴절률(1.8-1.85)인 박막을 1/4 파장 광학 두께로 증착하고, 그 위에 고굴절률(1.9-2.3)인 박막을 1/2 파장 광학 두께로 증착 그리고 마지막 층에 저굴절률(1.38)의 박막을 1/4 파장 광학두께로 증착한 구조를 사용하고 있다. US 3,185,020 has a three-layer antireflective coating using three kinds of materials on a substrate (1.45-1.75). Deposition first deposits a thin film of intermediate refractive index (1.8-1.85) with a quarter wavelength optical thickness. A thin film of high refractive index (1.9-2.3) is deposited with a 1/2 wavelength optical thickness and a low refractive index (1.38) thin film is deposited with a 1/4 wavelength optical thickness in the last layer.
US특허 3,960,441는 굴절률이 균일한 박막들을 사용한 3층 구조의 무반사 코팅에서 중간층을 두께 방향에 따라 굴절률이 연속적으로 변하는 불균일 굴절률(Gradient Refractive Index)을 가지는 박막으로 대체하여 경계면에서의 반사를 최소화하고 무반사 영역을 넓히는 구조를 사용하여 무반사 코팅을 실현하고 있다. US Pat. No. 3,960,441 replaces an intermediate layer with a thin film having a non-uniform refractive index (Gradient Refractive Index) whose refractive index is continuously changed in the thickness direction in a three-layer antireflective coating using thin films having uniform refractive indices, thereby minimizing reflection at the interface and non-reflecting The anti-reflective coating is realized by using a structure that widens the area.
US특허 4,372,987, US특허 3,604,784는 다층 박막으로 이루어진 무반사 코팅에서 중간 굴절률을 갖는 박막으로 두 가지의 금속산화물(Al2O3+TiO2, Al2O3+Ta2O5)을 혼합하여 박막의 굴절률을 조절하는 방법을 사용하여 무반사 코팅을 하는 방법으로 특히 3층 구조의 무반사 코팅의 경우 중간층을 두 가지의 금속산화물(Al2O3+TiO2, Al2O3+Ta2O5)을 혼합함으로써 반사영역에서의 반사율을 일정하게 하고 있다.US Pat. No. 4,372,987, US Pat. No. 3,604,784 is an antireflective coating using a method of controlling the refractive index of a thin film by mixing two metal oxides (Al2O3 + TiO2, Al2O3 + Ta2O5) in an antireflective coating composed of a multilayer thin film. In particular, in the case of the antireflective coating having a three-layer structure, the intermediate layer is mixed with two metal oxides (Al 2
US특허 5,170,291는 3가지의 굴절률을 갖는 박막을 사용하여 4층 구조의 무반사 코팅을 통해 넓은 영역에서 무반사 코팅을 실현하고 있다.US Pat. No. 5,170,291 uses a thin film having three refractive indices to realize an antireflective coating in a wide area through an antireflective coating having a four-layer structure.
그 외에도 US특허 5,450,238(4층 구조), US특허 5,194,990(3층 구조) 등에서의 방법들은 3층 이상의 구조와 2종류 이상의 물질을 사용하여 무반사 코팅을 이룰 수 있다.In addition, the methods in US Pat. No. 5,450,238 (four-layer structure), US Pat. No. 5,194,990 (three-layer structure) and the like can form an antireflective coating using three or more layers of structures and two or more kinds of materials.
상술한 종래의 무반사 코팅 방법들은 최소한 2 종류이상의 다른 물질을 사용하여 증착하여야 하며, 특히 넓은 영역에서의 무반사 코팅을 위해서는 3층 이상의 다층 구조를 해야만 한다. The conventional antireflective coating methods described above should be deposited using at least two different materials, and in particular, a multi-layered structure having three or more layers should be used for the antireflective coating in a wide area.
Scott R. Kennedy and Michael J. Brett "Porous broadband antireflection coating by glancing angle deposition" Applied optics 42, 2003, 4573-4579 에서는 유리기판 위에 연속적으로 굴절률이 변하도록 경사 입사 증착법(Glancing Angle Deposition)을 이용하여 다공성 구조를 갖는 SiO2 박막을 증착하면 400nm~1000nm의 넓은 영역에서 반사율이 낮은 일층의 무반사 코팅이 가능하다. 그러나 이 방법은 증착 중에 입사각을 연속적으로 조절해야 할뿐만 아니라 두께도 각도에 따라 연속적으로 조절해야하는 번거러움이 있다. Scott R. Kennedy and Michael J. Brett "Porous broadband antireflection coating by glancing angle deposition" Applied optics 42, 2003, 4573-4579 used porosity using a gradient angle deposition to continuously change the refractive index on the glass substrate. Depositing a
한편, Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie, "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349 에서는 유리기판 위에 Si박막을 경사 입사 증착법으로 증착하였을 때 경사입사각이 증가함(20도~85도)에 따라 굴절률이 약 4.3에서 1.3 으로 감소함을 보였다. 또한, 경사 입사각이 약 60도 일 때 비등방성(Anisotropy)이 가장 크다는 것을 보였다. Meanwhile, in Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie, "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349 With this increase (20 ° to 85 °), the refractive index decreased from about 4.3 to 1.3. In addition, anisotropy was shown to be greatest when the oblique incident angle was about 60 degrees.
이러한 경사 입사 증착법을 이용한 증착은 US특허 4,490,015, US특허 6,426,786 B1, US특허 6,867,837 등에서 칼라 디스플레이 액정 판넬의 배향을 위해 경사 입사 증착법(Oblique Deposition)을 이용하였으며, SiO2, SiO, CeO2, Al2O3, MgF2, CaF2, LiF 등의 금속산화물과 금속불화물을 사용하여 표면에 방향성을 가지게 하는데 사용되었으며, 한국 특허공개 1998-084672에서는 특정한 성장방향을 가지도록 경사 입사 증착법을 사용하여 유전체를 증착함으로써 복굴절성을 발생시켜 편광소자를 제작하는 방법이 사용되고 있다. The deposition using the oblique incidence deposition method used Oblique Deposition (Oblique Deposition) for the orientation of the color display liquid crystal panel in US Patent 4,490,015, US Patent 6,426,786 B1, US Patent 6,867,837, etc., SiO2, SiO, CeO2, Al2O3, MgF2, Metal oxides such as CaF2 and LiF and metal fluorides are used to direct the surface, and in Korean Patent Publication 1998-084672, birefringence is generated by depositing a dielectric using a gradient incident deposition method to have a specific growth direction. The method of manufacturing a polarizing element is used.
주로 경사 입사 증착법은 US특허 4,874,664에서와 같이 박막의 비등방성을 이용하여 복굴절판(Birefringent Plate)의 제작을 위해 SiO2, TiO2, Y2O3, Ta2O5, Bi2O3, Nb2O5, SiO, ZnS, CeO2, MoO3, SnO2, WO3 등의 고굴절률 물질을 전자빔을 이용하여 큰 입사각으로 증착하여 복굴절판 등의 제작에 이용한다. The inclined incidence deposition method mainly uses
이러한 경사 입사 증착법은 K. Robbi, L.J. Friedrich, and S. K. Dew,"Fabrication of thin films with highly porous microstructures" J. Vac. Sci. Technol. A 13(3) 1995 와 K. Robbie and M. J. Brett, "Sculptured thin films and glancing angle deposition: Growth mechanics and applications" J. Vac. Sci. Technol. A 13(3), 1997 등에 박막 성장의 원리와 기둥 구조에 대해 설명이 되어 있으며, 이러한 박막 기둥구조를 조절하는 방법 등을 기술하고 있다. Such oblique incidence deposition is described by K. Robbi, L.J. Friedrich, and S. K. Dew, "Fabrication of thin films with highly porous microstructures" J. Vac. Sci. Technol. A 13 (3) 1995 with K. Robbie and M. J. Brett, "Sculptured thin films and glancing angle deposition: Growth mechanics and applications" J. Vac. Sci. Technol. A 13 (3), 1997, etc., explain the principle of thin film growth and column structure, and describe how to control the thin film column structure.
경사 입사 증착법으로 증착된 박막은 경사 입사각이 증가함에 따라 박막 미세기둥의 그림자 효과(Shadow Effect)에 의해 다공성 구조를 갖는 박막으로 성장 되어진다(H.A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001).As the inclined incident angle increases, the thin film deposited by the oblique incidence deposition method is grown into a thin film having a porous structure by the shadow effect of the thin film micropillar (HA Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001). .
따라서 경사 입사각을 크게 증착하는 경우, 기둥구조와 그림자 효과에 의해 박막의 다공성이 증가되고 박막의 유효굴절률은 낮아지게 된다. 그러나 박막의 기둥 미세구조에 의해 광학적으로 비등방(Anisotropy) 특성이 나타나는 문제점이 있다. 이는 광학적으로 등방(Isotropic)적인 특성을 가지는 일반 광학코팅 등에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.Therefore, when the oblique incidence angle is largely deposited, the porosity of the thin film is increased by the column structure and the shadow effect, and the effective refractive index of the thin film is lowered. However, there is a problem in that optically anisotropy characteristics appear due to the pillar microstructure of the thin film. This is a problem that it is difficult to apply to a general optical coating having an optically isotropic (Isotropic) characteristics.
상기와 같은 종래의 무반사 코팅방법의 경우 모두 최소한 일층 이상의 저굴 절률 층이 반드시 필요하며, 이때 굴절률이 낮은 저굴절률 층을 증착하는데 있어 사용하는 물질의 종류에는 한계가 있다. In the case of the conventional antireflective coating method, at least one or more low refractive index layers are necessarily required, and at this time, there is a limit to the type of material used for depositing the low refractive index layer having a low refractive index.
또한, 기존의 방법으로는 일층만으로 넓은 영역에서 투과 특성이 우수한 무반사 코팅이 어렵기 때문에 다층구조가 필요하며, 2종류 이상의 물질을 사용해야 한다. 또한, 두 물질을 혼합하며 증착하여 굴절률이 연속적으로 변하도록 하는 무반사 코팅의 경우 증착과정에서 물질의 혼합비의 조절이 매우 어렵다는 단점이 있다. In addition, the conventional method requires a multilayer structure because it is difficult to have an antireflection coating having excellent permeability in a wide area with only one layer, and two or more kinds of materials should be used. In addition, in the case of the antireflective coating in which the two materials are mixed and deposited so that the refractive index is continuously changed, it is difficult to control the mixing ratio of the materials during the deposition process.
연속적인 굴절률을 갖도록 불균일 박막을 이용한 일층의 무반사 코팅의 경우, 증착하는 동안 입사각을 연속적으로 변화시키며 증착하며, 연속적으로 입사각을 조절해야 하는 번거러움과 정밀한 두께조절이 필요하다는 문제점이 있다. In the case of one layer of anti-reflective coating using a non-uniform thin film to have a continuous refractive index, there is a problem that it is necessary to continuously change the angle of incidence during deposition and to perform the cumbersome adjustment of the angle of incidence and precise thickness control.
또한, 경사 입사 증착법의 경우, 유효굴절률은 낮아지지만 경사 입사각이 증가함에 따라 광학적 비등방성이 증가하므로 광학적으로 등방이여야 하는 무반사 코팅 등에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.In addition, in the case of the oblique incidence deposition method, although the effective refractive index is lowered, the optical anisotropy increases as the inclined incidence angle increases, which makes it difficult to apply to an antireflective coating that should be optically isotropic.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 다공성 박막 미세 구조를 이용하여 낮은 굴절률을 가지며 광학적으로 비등방성이 매우 작은 광학 박막을 제작하고, 넓은 파장영역과 큰 입사각에서 투과특성이 우수한 무반사 코팅이 가능한 저굴절률 박막 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is to fabricate an optical thin film having a low refractive index and very small optically anisotropy using a porous thin film microstructure, and having a wide wavelength range and a large angle of incidence. The present invention provides a low refractive index thin film manufacturing method capable of excellent antireflection coating and an antireflection coating method using the same.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저굴절률 박막 제조방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사 증착법으로 증착하여 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막을 얻는 것을 특징으로 한다.The low refractive index thin film manufacturing method according to the present invention for achieving the object of the present invention, to obtain a low refractive index thin film having a porous structure by depositing a dielectric material, such as a metal oxide or metal fluoride on the substrate by a gradient incident deposition method. It features.
상기 저굴절률 박막은 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 물질로, SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하며, 상기 저굴절률 박막은 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하며, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 비등방성이 매우 작은 층을 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 한다.The low refractive index thin film is a material having an absorption of 0.01 or less in a wavelength range to be used, and uses a metal oxide such as SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, or a metal fluoride such as MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6, and the low refractive index thin film. Silver is deposited at an oblique incidence angle of 40 degrees or more, and the low refractive index thin film is a porous thin film having a columnar microstructure, and at a predetermined oblique incidence angle α to deposit a layer having very low refractive index, uniform thickness, and very low anisotropy. The substrate is fixed and deposited while rotating the substrate by 360 degrees, or deposited in a zigzag structure of + α and -α.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하여 기판보다 굴절률이 낮은 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻고, 이 박막 층을 최소 일층이상 사용하여 무반사 특성을 얻는 것을 특징으로 한다.In the anti-reflective coating method of the present invention for achieving the above object, a low refractive index thin film layer having a porous structure having a lower refractive index than the substrate by depositing a dielectric material such as a metal oxide or a metal fluoride at an angle of inclination of more than 40 degrees on a substrate To obtain the antireflection property by using at least one layer of the thin film layer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사증착법으로 증착하여 기판보다 굴절률이 낮은 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻어, 이 박막 층과 함께 일반적인 방법으로 증착된 고굴절률을 갖는 박막 등을 교대로 적층하여 광 학적 특성을 얻는 것을 특징으로 한다.In addition, the anti-reflective coating method of the present invention for achieving the above object, by depositing a dielectric material such as a metal oxide or a metal fluoride by a gradient incident deposition method on the substrate to form a low refractive index thin film layer having a porous structure having a lower refractive index than the substrate The optical characteristics are obtained by alternately laminating a thin film having a high refractive index and the like deposited with the thin film layer in a general manner.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 한 종류만을 사용하여 경사입사 증착법으로 증착하고, 이들 박막 층들을 적어도 2층 이상의 다층 구조로 증착하되, 경사 입사각을 상기 각각의 층마다 다르게 단계적으로 변화시키면서 증착하는 것을 특징으로 한다.In addition, the anti-reflective coating method of the present invention for achieving the above object, by depositing a dielectric material such as a metal oxide or a metal fluoride by a gradient incidence deposition method using only one type, these thin film layers at least two layers or more Deposition in a multi-layered structure, characterized in that the deposition while changing the inclined incidence angle differently for each layer.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are merely to illustrate the present invention is not limited to the contents of the present invention.
도 1은 일반적인 전자빔 증착방법을 구현하기 위한 개략적인 시스템 구성도를 나타낸 것으로, 고진공 상태에서 기판(3-a)을 장착하고 전자빔(미도시)을 사용하여 물질이 담긴 용기(1) 내에 수용된 물질을 가열하여 증발시켜 박막(2)을 증착하는 구조를 하고 있으며, 상기 기판(3-a)은 유기 기판과 같은 투명 기판이다. 1 shows a schematic system configuration for implementing a general electron beam deposition method, in which a substrate 3a is mounted in a high vacuum state and a material contained in a
챔버에는 고진공 상태를 유지하기 위한 진공펌프(미도시)와 외부에서 챔버 안으로 기체(Ar, O2 등)를 공급하기 위한 MFC(미도시)가 설치된다. 두께의 측정을 위해 물리두께 측정장치(5)가 기판(3-a) 근처에 위치하고 물질이 담긴 용기(1) 위에 셔터(4)가 위치하여 박막(2)의 두께를 조절하게 된다.The chamber is provided with a vacuum pump (not shown) for maintaining a high vacuum and an MFC (not shown) for supplying gas (Ar,
도 1과 같은 진공 장비를 사용하여 박막을 제작하는 방법을 설명하면 다음과 같다. Referring to the method of manufacturing a thin film using the vacuum equipment as shown in Figure 1 as follows.
먼저, 기판(3-a)을 도시하지 않은 홀더에 장착함과 동시에 물질을 담는 용기 (1)에 증착하고자 하는 물질을 채운 후, 진공펌프를 이용하여 챔버 내를 약 10-6 torr의 고진공 상태가 되도록 한다. 이때, 기판(3-a)의 온도를 200도~300도 정도로 가열하기도 한다. First, the substrate 3-a is mounted in a holder (not shown) and the material to be deposited is filled in the
박막의 증착 방법을 보면, 전자빔을 사용하여 먼저 용기(1)에 담겨진 물질을 녹이기 시작하고 셔터(4)를 열어 증발된 물질이 기판(3-a)에 증착되도록 한다. 이때 도 1과 같이 증발되는 입자가 기판(3-a)의 증착면에 대해 거의 수직 방향으로 증착되도록 한다. 또한, 이때 기판(3-a)에서의 박막(2)의 두께를 균일하게 하기 위해 기판(3-a)을 회전하기도 한다. In the deposition method of the thin film, the electron beam is first used to melt the material contained in the
일반적으로 전자빔을 이용한 열증착법은 증착되는 입자는 약 0.1 eV 정도의 낮은 에너지를 가지며, 이동도가 작아 기판위에 박막이 성장하면서 기둥(Column)의 모양으로 성장하게 된다. 기둥이 자라게 되면 기둥에 의해 빈공간이 가려지는 그림자 효과에 의해 뒤에 도착하는 입자가 빈공간을 채울 수 있는 확률이 작아지게 된다. 따라서 박막이 성장하는 동안 박막 기둥과 빈공간을 포함하는 기둥 미세구조(Columnar Microstructure)를 가지게 된다. In general, the thermal evaporation method using an electron beam has a low energy of about 0.1 eV, and the mobility is small, so that the thin film grows on the substrate and grows in the shape of a column. As the pillar grows, the shadow effect obscured by the pillar decreases the probability that particles arriving behind fill the void. Therefore, during the growth of the thin film has a columnar microstructure (Columnar Microstructure) including the thin film pillar and the void space.
도 2와 도 3에는 상기의 방법으로 증착된 MgF2 박막의 단면과 표면의 실제 예를 나타내었다. 도 2는 박막이 증착면에 대해 수직으로 균일한 기둥 구조를 가지며, 도 3은 단면과 표면이 조밀한 구조를 가지고 있음을 보여준다.2 and 3 show examples of the cross section and the surface of the MgF2 thin film deposited by the above method. FIG. 2 shows that the thin film has a uniform columnar structure perpendicular to the deposition surface, and FIG. 3 shows that the cross section and the surface have a dense structure.
도 4는 일반적인 경사 입사 증착방법을 구현하기 위한 개략적인 시스템 구성도를 나타낸 것으로, 이는 본 발명을 구현하기 위한 기본 시스템이기도 하다.Figure 4 shows a schematic system configuration for implementing a general oblique incidence deposition method, which is also a basic system for implementing the present invention.
이는 도 1과 동일한 진공증착 챔버 구조에서 홀더를 α의 각도로 기울일 수 있도록 되어 있다. 경사 입사 증착법으로 박막을 증착하는 방법은 상기의 일반적인 증착방법과 같은 방법으로 이루어지며, 도 4에 나타낸 바와 같이 증발되는 입자의 증발 방향이 기판(3-b)의 증착면에 대해 α의 각도로 유지된 상태에서 증착되도록 하는 방법이다. 이때, 박막(6)의 두께를 균일하게 하기 위해 기판(3-b)의 홀더를 회전하거나, +α와 -α의 지그재그로 움직일 수 있다.This allows the holder to be tilted at an angle α in the same vacuum deposition chamber structure as in FIG. 1. The method of depositing a thin film by an oblique incidence deposition method is performed in the same manner as the general deposition method described above, and as shown in FIG. 4, the evaporation direction of the evaporated particles is at an angle with respect to the deposition surface of the substrate 3-b. It is a method to be deposited in a maintained state. At this time, in order to make the thickness of the
상기의 방법으로 증착된 MgF2 박막의 실제 단면과 표면 이미지를 도 5와 도 6에 나타내었다. 증발되는 입자의 증착방향을 α=80도의 각도로 기울여 증착한 경우, 도 5와 같이 기둥 미세구조를 가지며 기판(3-b)의 증착면에 대해 기울어져 박막(6)이 성장된다. The actual cross-sectional and surface images of the MgF2 thin film deposited by the above method are shown in FIGS. 5 and 6. When the deposition direction of the evaporated particles is deposited at an angle of α = 80 degrees, the
또한, 박막 기둥 미세구조에 의해 빈공간이 생겨 다공성 구조가 됨을 보여준다. 박막(6)의 표면에는 도 6과 같이 많은 빈 공간들이 관측되며, 기둥을 따라 빈공간이 형성된 다공성 구조를 가지게 된다.In addition, an empty space is created by the thin-film pillar microstructure, which shows a porous structure. On the surface of the
도 7에는 경사 입사 증착법으로 증착된 MgF2 박막의 경사 입사각에 따른 550nm에서의 굴절률을 나타내었다. 7 shows the refractive index at 550 nm according to the inclined incidence angle of the MgF2 thin film deposited by the inclined incidence deposition method.
경사 입사각이 α=0도인 경우 MgF2 박막의 굴절률은 약 1.38의 값을 가지며, 경사 입사각이 증가할수록 다공성 구조를 가지게 되며 박막의 굴절률이 감소하여 경사 입사각이 약 α=80도의 경우 유리 위에 일층 박막으로 무반사 코팅이 가능한 약 1.20의 굴절률을 가진다. When the oblique incidence angle is α = 0 degrees, the refractive index of the MgF2 thin film has a value of about 1.38. As the oblique incidence angle increases, the refractive index of the MgF2 thin film becomes porous. The antireflective coating has a refractive index of about 1.20.
도 8에 굴절률이 1.52인 유리기판 위에 경사 입사각을 α=0도와 α=80도로 증착한 일층 무반사 코팅의 반사율을 비교하였다. 이때 박막의 두께는 550nm에서 1/4 파장 광학두께로 증착 하였다. In FIG. 8, the reflectances of the one-layer antireflective coating in which the oblique incidence angles were deposited on α = 0 degrees and α = 80 degrees on a glass substrate having a refractive index of 1.52 were compared. At this time, the thickness of the thin film was deposited with a 1/4 wavelength optical thickness at 550nm.
기존의 방법(??=0도)으로 증착한 일층 무반사 코팅(n=1.38)에 비해 경사 입사각을 α=80도로 증착한 일층 무반사 코팅(n=1.20)의 경우 반사율이 거의 R=0에 가깝게 낮아지며 무반사 영역이 넓어짐을 보여 준다. Compared with the conventional anti-reflective coating (n = 1.38) deposited by the conventional method (?? = 0 degrees), the one-layer anti-reflective coating (n = 1.20) deposited with an oblique incidence angle of α = 80 degrees has a reflectance near R = 0. It is lowered and shows a wider area of antireflection.
이러한 결과들은 전자빔을 이용하여 유전체 박막을 증착할 때 경사 입사각을 조절함으로써 다공성 구조를 갖는 저굴절률 유전체 박막을 증착할 수 있음을 보여준다. These results show that the low refractive index dielectric thin film having a porous structure can be deposited by controlling the inclination angle when the dielectric thin film is deposited using the electron beam.
일반적으로 경사 입사 증착법을 사용하여 증착한 박막은 입사각이 증가할수록 박막의 다공성 기둥미세 구조에 의해 박막의 유효 굴절률은 낮아지지만 비등방 특성이 증가하게 된다 (Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie, "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349).In general, thin films deposited using the inclined incidence deposition method have an effective refractive index, but anisotropy increases due to the porous pillar microstructure of the film (Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie). , "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349).
이러한 비등방 특성은 광학적으로 등방적인 특성을 나타내야 하는 광학 필터나 무반사 코팅에 이용하기가 어렵다. 이러한 비등방성은 기둥 미세구조에 의해 발생하며, 기둥과 빈 공간으로 이루어진 기둥 미세구조가 등방적인 구조를 하고 있지 않기 때문에 기둥과 빈공간의 굴절률 차에 의해 발생한다. Such anisotropic properties are difficult to use in optical filters or antireflective coatings that must exhibit optically isotropic properties. This anisotropy is caused by the column microstructure, and because the column microstructure composed of the pillar and the void does not have an isotropic structure, it is caused by the difference in refractive index between the pillar and the void.
따라서 비등방 특성이 작은 박막을 증착하는 방법으로는 MgF2(n=1.38)와 같이 굴절률이 낮은 물질을 증착하는 것으로 이 경우, 물질의 굴절률(1.38)이 공기의 굴절률(1.0)과의 차이가 작기 때문에 기둥 미세구조에 의한 굴절률차를 작게 할 수 있다. 또 다른 방법으로는 기둥 미세구조가 등방적이 되도록 경사각(α)을 유지한 상태에서 기판을 회전시키는 방법 등이 있다. Therefore, as a method of depositing a thin film having low anisotropy, a material having a low refractive index such as MgF2 (n = 1.38) is deposited. In this case, since the refractive index (1.38) of the material is small from the refractive index (1.0) of the air, The refractive index difference by columnar microstructure can be made small. Another method is to rotate the substrate while maintaining the inclination angle α such that the column microstructure is isotropic.
도 9에는 경사 입사각을 α=0도와 α=80도로 증착(도 2와 도 5)한 MgF2 단층 박막의 복굴절 측정 결과를 나타내었다. 경사 입사각을 각각 α=0도와 α=80도로 증착한 MgF2 박막들의 위상차(Retardation)가 매우 작아 거의 등방적인 광학 특성을 가짐을 보여준다. FIG. 9 shows the birefringence measurement results of the MgF2 single-layer thin film deposited at an angle of incidence angle α = 0 degrees and α = 80 degrees (FIGS. 2 and 5). The retardation of the MgF2 thin films deposited at the incidence angles of inclination of α = 0 and α = 80 degrees, respectively, is very small, indicating that they have almost isotropic optical properties.
도 10은 MgF2 박막을 경사 입사각 α=80도로 증착하면서 3rpm으로 회전시키며 증착한 박막의 단면을 나타낸 것으로, 박막의 기둥구조가 회전하는 형태를 가지고 있고, 박막 내부에 빈공간이 많은 다공성 구조를 가짐을 보여주고 있다. FIG. 10 is a cross-sectional view of the deposited thin film by rotating the MgF2 thin film by rotating it at 3 rpm while depositing an oblique incident angle α = 80 degrees, and has a pillar structure of the thin film, and has a porous structure with many void spaces inside the thin film. Is showing.
또한, 도 11은 상기의 방법으로 증착된 박막의 표면 이미지로 박막이 표면에서도 다공성구조를 가짐을 보여준다. 이와 같은 방법으로 증착된 박막은 거의 등방적인 광학적 특성을 나타내며, 도 12에 MgF2(n=1.38)보다 굴절률이 큰 SiO2(1.46)박막을 입사각 80도로 고정하고 증착한 박막과 회전하면서 증착한 박막의 위상차 측정값을 나타내었다. 박막을 회전하지 않고 증착한 경우 비등방 특성이 증가하여 △n이 0.022의 값을 가졌으나, 기판을 회전한 경우는 0.005로 비등방 특성이 크게 감소하는 것을 보여준다. 이는 경사 입사 증착법으로 증착한 박막의 비등방 특성을 작게 하기 위해서는 기판을 회전하는 것이 효과적이라는 것을 보여준다.In addition, Figure 11 is a surface image of a thin film deposited by the above method shows that the thin film has a porous structure on the surface. The thin film deposited in this manner exhibits almost isotropic optical properties, and the thin film deposited by rotating and fixing the SiO 2 (1.46) thin film having a refractive index larger than MgF 2 (n = 1.38) in FIG. Phase difference measurements are shown. When the thin film was deposited without rotating, the anisotropy was increased and Δn had a value of 0.022. However, when the substrate was rotated, the anisotropic characteristic was greatly decreased to 0.005. This shows that it is effective to rotate the substrate to reduce the anisotropy of the thin film deposited by the oblique incidence deposition method.
따라서 기판의 경사각을 증가시켜 박막의 다공성을 증가시킴으로써 낮은 굴절률을 가지는 박막을 증착할 수 있으며, 기판을 회전하며 증착하는 방법은 굴절률이 큰 물질의 비등방성을 줄일 수 있음과 동시에 두께를 균일하게 증착할 수 있는 방법임을 보여준다.Therefore, by increasing the inclination angle of the substrate to increase the porosity of the thin film can be deposited a thin film having a low refractive index, the method of rotating and depositing the substrate can reduce the anisotropy of the material with a high refractive index and at the same time deposit a uniform thickness Show how you can.
도 13는 상기의 방법을 이용하여 증착한 저굴절률 박막을 이용하여 넓은 파장 영역에서의 무반사를 얻을 수 있는 코팅 구조의 개략도를 나타내었다. FIG. 13 shows a schematic view of a coating structure capable of obtaining antireflection in a wide wavelength region using a low refractive index thin film deposited using the above method.
무반사 코팅을 위해서 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 사용하여 경사 입사각을 α를 40도 이상으로 하여 증착한 저굴절율 층을 사용하면 최소 일층만으로도 무반사 특성을 얻을 수 있으며, 무반사 파장영역이 좁을 경우, 도 13과 같이 2-3층의 구조로 층수를 증가시키면 무반사가 되는 파장 영역을 넓힐 수 있다. When using a low refractive index layer deposited using a dielectric material such as metal oxide or metal fluoride with an inclination angle of α above 40 degrees for antireflective coating, at least one layer can be used to obtain antireflective characteristics. Increasing the number of layers in a 2-3 layer structure as shown in FIG. 13 allows the wavelength region to be antireflected to be widened.
유리 기판(7) 위에 굴절률이 낮은 물질을 사용하여 경사 입사각을 αA, αB, αC로 하여 증착한 박막을 이용한 구조를 하고 있다. 무반사 코팅의 구조는 기판(7) 쪽으로부터 각층의 경사 입사 각도를 αA, αB, αC 순서로 증착을 하며, 입사 경사각은 αA < αB < αC가 되도록 한다. 이때의 각 박막의 굴절률은 nA > nB > nC가 되며 기판(7)쪽의 층(8)이 가장 큰 굴절률(nA)을 가지며, 공기쪽의 층(10)이 가장 작은 굴절률(nC)을 가지는 구조를 한다. 각 광학 박막은 1/4파장 광학두께로 하며, 마지막층(10)을 제외한 나머지 층들은 반사율과 파장 영역 등을 고려하여 중간의 층들을 제거하여 일층으로 증착하거나 새로운 층들을 중간에 삽입할 수 있다. 이때 증착하는 물질은 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사입사 증착법으로 증착하여 기판(7)보다 굴절률이 낮은 박막을 증착하도록 하고, 1종류의 물질 만을 사용하여 증착한다. A structure using a thin film deposited on the
상기한 바와 같은 방법과 구조로 증착을 하게 되면, 한 가지 물질을 사용하여 증착하므로 챔버내의 오염을 막을 수 있다는 장점이 있으며, 증착 중 기판홀더를 기울여 경사 입사각 α를 0~85도 범위에서 층 수 만큼 1~3개의 스텝(Step)을 주며 증착하므로 기존의 증착에 방법에 비해 제작과정이 비교적 간단하다. When the deposition method is performed using the above-described method and structure, it is advantageous to prevent contamination in the chamber because it is deposited using one material, and the tilt angle of incidence angle α may be in the range of 0 to 85 degrees by tilting the substrate holder during deposition. As it is deposited by giving 1 ~ 3 steps, the manufacturing process is relatively simple compared to the conventional deposition method.
또한, 이러한 구조를 갖는 무반사 코팅은 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하고, 기판에 비해 굴절률이 낮은 층들만을 사용하게 되므로 작은 층수로도 넓은 영역에서의 무반사 코팅이 가능할 뿐만 아니라, 입사각의 변화에 의해서도 반사율의 변화가 작고, 큰 입사각에서도 무반사 특성을 나타낼 수 있다. 또한 이러한 방법으로 증착된 구조의 무반사 코팅은 기존의 코팅에 비해 박막의 총 두께와 층수를 줄일 수 있다.In addition, the antireflective coating having such a structure uses only one material (MgF2), and uses only layers having a lower refractive index than the substrate, so that the antireflective coating can be made in a large area even with a small number of layers. Also, the change in reflectance is small, and can exhibit anti-reflective characteristics even at a large incident angle. In addition, the antireflective coating deposited in this manner can reduce the total thickness and the number of layers compared to the conventional coating.
유리 기판의 굴절률이 550nm에서 1.52이고, 경사 입사각을 α=0도와 α=80도의 각도로 증착한 MgF2 박막의 굴절률은 각각 1.38과 1.20이므로 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 상기의 구조(도 13)를 이용한 2층 구조 일때의 반사율은 도 14와 같다. 400nm ~ 1200nm의 넓은 파장영역에서 반사율이 1% 이하의 무반사 코팅이 됨을 보여준다. The refractive index of the MgF2 thin film having a refractive index of 1.52 at 550 nm and an oblique incidence angle of α = 0 and α = 80 degrees is 1.38 and 1.20, respectively, so that only one material (MgF2) is used for the structure (Fig. 13). The reflectance in the case of the two-layer structure using) is shown in FIG. In the broad wavelength range from 400nm to 1200nm, the reflectance is less than 1%.
도 15는 입사빔의 입사각이 수직입사인 경우와 40도의 경사각을 가지고 입사하는 빛에 대해 반사율을 계산한 결과로 공기 중에서의 빛의 입사각이 40도의 큰 각을 가지고 입사하여도 400nm ~ 1000nm의 넓은 파장 영역에서 반사율이 1% 이하인 무반사 코팅이 됨을 보여준다. FIG. 15 shows a wide range of 400 nm to 1000 nm even when an incident angle of light in the air is incident at a large angle of 40 degrees as a result of calculating the reflectance of light incident at an incident angle of the incident beam having a vertical incidence angle and having an inclination angle of 40 degrees. It is shown that there is an antireflective coating having a reflectance of 1% or less in the wavelength region.
도 16은 무반사 코팅의 두께와 굴절률에 대한 민감도를 나타낸 것이다. 이는 두께의 오차가 5%이고 굴절률의 오차가 2%일 경우의 반사율의 변화를 나타낸 것으로, 상기한 오차를 가지고 박막을 증착하는 경우에 대해서도 무반사 특성이 유지됨을 보여준다. 이는 무반사 코팅에서의 공정오차를 크게 허용할 수 있는 장점이 있다. 16 shows the sensitivity to thickness and refractive index of the antireflective coating. This shows the change in reflectivity when the error of the thickness is 5% and the error of the refractive index is 2%, and shows that the antireflective property is maintained even when the thin film is deposited with the above error. This has the advantage of allowing large process errors in the anti-reflective coating.
이렇게 2층으로 넓은 파장 대역의 무반사 코팅이 가능한 이유는 무반사 코팅에서 기판보다 낮은 굴절률의 물질 만을 사용하기 때문이며, 도 17에서 상기 구조를 어드미턴스로 설명할 수 있다. 박막의 반사율이 0이 되기 위해서는 박막의 어드미턴스가 공기의 어드미턴스인 (1,0)이면 된다. 기판의 어드미턴스인 (1.52,0)을 출발하여 첫 번째 박막이 증착되는 동안 어드미턴스는 원을 그리면서 (1.26,0)이 된다. 이때, 박막의 두께가 1/4 파장 두께일 경우 실수축과 만나는 반원을 그리게 된다. The reason why the two-layer wide anti-reflective coating is possible is that only the material having a lower refractive index than the substrate is used in the anti-reflective coating, and the structure can be described as an admittance in FIG. 17. In order for the reflectance of the thin film to be zero, the admittance of the thin film may be (1,0), which is the admittance of air. Starting with (1.52,0), the admittance of the substrate, the admittance becomes (1.26,0) in a circle while the first thin film is deposited. In this case, when the thickness of the thin film is 1/4 wavelength, a semicircle that meets the real axis is drawn.
그러나 굴절률의 한계에 의해 어드미턴스의 궤적의 크기가 제한된다. 따라서 두 번째 층에서는 첫 층보다 보다 굴절률이 낮은 물질을 증착하게 되면 반사율 차이만큼 왼쪽으로 원을 그리며 어드미턴스 궤적을 그린다. However, the limit of the refractive index limits the size of the admittance trajectory. Therefore, in the second layer, when a material having a lower refractive index is deposited than the first layer, an admittance trajectory is drawn to the left by the difference in reflectance.
따라서 더욱 공기의 굴절률 (1,0)에 가까워지게 되기 때문에 반사율은 낮아지게 된다. 이때 어드미턴스의 궤적이 원이기 때문에 기판의 반사율보다 낮은 굴절률을 가진 층만을 사용한 무반사 코팅의 어드미턴스는 항상 기판보다 작거나 같게 된다. Therefore, the reflectance becomes lower because the air is closer to the refractive index (1,0). At this time, since the trajectory of the admittance is a circle, the admittance of the antireflective coating using only a layer having a refractive index lower than that of the substrate is always smaller than or equal to the substrate.
따라서 기판보다 굴절률이 작은 저굴절률 박막만을 이용한 무반사 코팅은 기 판보다 굴절률이 큰 물질을 사용하는 경우에 비해 두께의 변화나 굴절률 그리고 입사각의 변화에 대해 반사율에 영향이 작은 코팅을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 층수가 작으면서도 무반사 영역을 매우 넓게 가지는 무반사 코팅을 할 수 있다는 장점이 있다.Therefore, an antireflection coating using only a low refractive index thin film having a smaller refractive index than a substrate can obtain a coating having a smaller influence on reflectance against changes in thickness, refractive index, and angle of incidence than when a material having a larger refractive index is used than a substrate. The advantage is that an antireflective coating having a very small number of layers and having a very large antireflection area can be provided.
도 18에는 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 2층 구조의 무반사 코팅의 측정결과를 보여준다. 400nm~1300nm의 넓은 파장 영역에서 평균 반사율이 0.4%를 갖는 무반사 코팅이 되었음을 보여 준다. 반사율을 더 낮추기 위해서는 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 3층 구조로 무반사 코팅을 할 수 있으며, 도 19에 3층 구조에서의 반사율을 보여준다. 3층 구조의 경우, 2층 구조의 무반사 코팅에 비해 반사율이 낮으며 무반사 영역도 넓은 광학적 특성을 얻을 수 있다. FIG. 18 shows measurement results of an antireflective coating having a two-layer structure using only one material (MgF 2). In the broad wavelength range of 400 nm to 1300 nm, an antireflective coating having an average reflectance of 0.4% is shown. In order to further lower the reflectance, only one material (MgF2) can be used for the antireflective coating in a three layer structure, and FIG. 19 shows the reflectance in the three layer structure. In the case of the three-layer structure, the reflectance is lower than that of the two-layer antireflective coating, and the optical characteristics can be obtained even in the non-reflective area.
상기의 방법을 사용한 무반사 코팅의 경우, SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3 등의 금속 산화물과 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하여 기판의 굴절률보다 작은 박막을 증착할 수 있다. In the case of the antireflection coating using the above method, a metal oxide such as
이때, SiO2와 대부분의 금속불화물은 UV(자외선)영역에서 투명하기 때문에 UV용 무반사 코팅이 가능하다는 장점이 있다. UV영역에서 투명한 기판인 석영(Quartz)는 245nm에서 약 1.51의 굴절률을 가지므로, 상기의 방법을 사용하여 SiO2 박막으로 증착하는 경우, 입사각을 조절하여 굴절률이 1.20인 박막을 증착할 수 있으며, 도 13의 구조를 갖는 일층의 무반사 코팅(굴절률 1.2인 층을 일층 사용한 경우)의 경우 기존의 MgF2(굴절률 1.38)를 사용한 일층 무반사 코팅 보다 반사율을 낮게 할 수 있다.At this time, since SiO2 and most metal fluorides are transparent in the UV (ultraviolet) region, there is an advantage that an antireflective coating for UV is possible. Since quartz (Quartz), which is a transparent substrate in the UV region, has a refractive index of about 1.51 at 245 nm, when depositing a SiO2 thin film using the above method, a thin film having a refractive index of 1.20 can be deposited by adjusting the incident angle. In the case of one layer of antireflective coating having a structure of 13 (when one layer having a refractive index of 1.2 is used), the reflectance can be lower than that of the conventional single layer antireflective coating using MgF 2 (refractive index of 1.38).
도 20에 나타낸 바와 같이, SiO2를 사용하여 굴절률이 1.48인 층과 1.20인 층을 사용한 2층 무반사 코팅의 경우 한 가지 물질(SiO2)만을 사용하여 넓은 파장 영역(200nm ~ 300nm)에서 반사율이 0.3% 이하인 무반사 코팅을 할 수 있다. As shown in FIG. 20, in the case of a two-layer antireflective coating using a layer having a refractive index of 1.48 and a layer having a thickness of 1.20 using
이러한 본 발명은 VIS(가시광선) 영역과 IR(적외선) 영역에서 1.0% 이하의 반사율을 가지며, 무반사 파장 영역이 300nm 이상이다.The present invention has a reflectance of 1.0% or less in the VIS (visible light) region and the IR (infrared) region, and the non-reflective wavelength region is 300 nm or more.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below Or it may be modified.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the present invention has the following effects.
첫째, 증착 중 기판의 경사각을 조절함으로써 굴절률의 조절이 가능하므로 기존 챔버 구조를 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있다. First, since the refractive index can be adjusted by adjusting the inclination angle of the substrate during deposition, the existing chamber structure can be used as it is.
둘째, 한 종류의 물질만을 사용하므로 챔버 내의 오염을 방지할 수 있다.Second, because only one type of material is used, contamination in the chamber can be prevented.
셋째, 2층만으로도 넓은 대역의 무반사 코팅이 가능하므로 두께오차와 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.Third, wide range of anti-reflective coating is possible with only two layers, which can improve productivity by simplifying thickness error and process.
넷째, 기존의 방법으로 얻은 굴절률에 비해 매우 낮은 굴절률(1.0 < n < 1.38)과 거의 등방적인 광학 박막을 얻을 수 있으므로 광학 다층 박막에서의 광학적 특성을 향상시키고 박막의 층수를 줄일 수 있다. Fourth, since a very low refractive index (1.0 <n <1.38) and an almost isotropic optical thin film can be obtained compared to the refractive index obtained by the conventional method, the optical properties of the optical multilayer thin film can be improved and the number of layers of the thin film can be reduced.
다섯째, MgF2, CaF2, LaF3 등의 금속불화물 계열의 물질을 사용하는 경우, 특히 UV 영역에서 흡수가 거의 없으므로 이 영역에서의 무반사 코팅에 사용될 수 있다는 장점이 있다. Fifth, in the case of using a metal fluoride-based material such as MgF2, CaF2, LaF3, there is an advantage that can be used for the anti-reflective coating in this region because there is almost no absorption in the UV region.
여섯째, 자외선 영역, 가시광선 영역 및 근적외선 영역에 대해 응용이 가능하고 넓은 무반사 영역을 가지므로 각종 광학소자에 적용이 가능하므로 기존의 무반사 코팅을 대체할 수 있게 된다.Sixth, it can be applied to the ultraviolet region, visible light region and near infrared region, and has a wide anti-reflective region, so that it can be applied to various optical elements, thereby replacing the existing anti-reflective coating.
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